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标题: [GUNDAM世界中现有的武器原理]37 mm冲压加速器试验和计算 [打印本页]

作者: TXVF84 时间: 2007-12-18 23:37 标题: [GUNDAM世界中现有的武器原理]37 mm冲压加速器试验和计算

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37 mm冲压加速器试验和计算
柳森简和祥白智勇平新红部绍清
摘要气动中心超高速所自1995年正式开展冲压加速器研究以来,自行研制成功了国内第一座冲
压加速器.给出冲压加速器这一新型超高速发射器的工作原理及国内外研究现状,然后介绍气动
中心超高速所37 mm冲压加速器系统组成、典型发射试验结果及有关的数值计算工作.
关键词冲压加速器,超高速发射器,试验,计算流体动力学
　　EXPERIMENTAL TESTS AND NUMERICAL CALCULATIONS FOR THE 37 mm RAM ACCELERATOR
Liu Sen Jian Hexiang Bai Zhiyong Ping Xinhong Bu Shaoqing
(China Aerodynamics R. & D. Center, Mianyang, Sichuan621000, China)
Abstract The first ramaccelerator in the country, 37 mm ram accelerator, has been built atCARDC. In this paper, the working principle and worldwide researchsituation of ram accelerator are introduced at first, followed by thedescription of the main sub-systems of this 37 mm ram accelerator,typical shot test results, and some pertinent CFD work.
Key words ram accelerator, hypervelocity launcher, test, CFD
引言
　　常规火炮利用火药燃烧推动弹丸加速,但由于火药燃气的膨胀速度有限,目前火炮的最大炮
口速度已接近上限,进一步提高弹丸速度十分困难.但从战场武器需求和其他工程的发展来看,提
高发射器的炮口速度仍是人们追求的目标.
　　冲压加速器(ram accelerator)是一种超高速发射器新概念,由美国华盛顿大学航空航天工
程系A. Hertsberg教授在80年代提出［1］.它的工作原理与冲压发动机相似,即:一个与冲压发动
机中心锥形状相似的弹丸被初级炮以一定的速度射入加速管中,加速管中预先混和好的推进剂气
体(H2, O2或CH4, O2)被控制在弹丸后部燃烧或爆轰,产生的高压推动弹丸进一步加速(如图1所
示).

与常规火炮或轻气炮相比,冲压加速器有如下特点:
1)高炮口速度理论预计,使用氢/氧作推进剂,弹丸最终可被加速到7～8 km/s;
2)软发射能力由于加速管中推进剂气体的燃烧始终位于弹丸后部,推力变化不大,弹丸经历的几乎是一个匀加速过程,发射过程的峰值过载不高.
基于上述特点,冲压加速器有可能发展成超远程火炮［2］或近地轨道载荷发射器［3］.
由于有着非常诱人的应用前景,冲压加速器技术在国际上引起了广泛的重视.美国在80年代开展了这项研究.进入90年代以来,法国、德国、日本、韩国、巴西也相继建造了有关设备,以色列也开展了类似的研究.目前,世界上已建成八座冲压加速器,其中的六座已实现了冲压加速(包括我部的37 mm口径冲压加速器),研究水平以美国华盛顿大学为最高,弹丸最大速度为2.7 km/s,加速管装填能力已达到20 MPa,体情况见表1［4～6］.
表1 国际上的冲压加速器
Table 1 Worldwide ram accelerator

1) All ofmaterials are dated by Nov.1998; 2) G is acceleration ofgravity.
　　90年代初,气动中心的张志成教授和陈坚强博士分别对冲压加速器概念及H2/O2超爆轰加速
作了初步研究［7］. 1995年我部正式开展了冲压加速器原理性研究,至今已自行研制成国内第一
座冲压加速器,并实现了弹丸的冲压加速.
1 气动中心的37 mm口径冲压加速器
　　气动中心研制的37 mm口径冲压加速器由四个子系统组成(如图2所示),即:

(1)初级炮/弹丸子系统该子系统为弹丸进入加速管提供必要的初速度(M>2.5).初级炮为55式37高炮(改装滑膛炮管).弹丸由铝合金制成,重100～115 g,如图3所示.
　　(2)加速管/泄压管子系统泄压管全长2.5 m,加速管全长4×2.4 m,口径均为37 mm,外径为100 mm.
　(3)推进剂气体混合/加注/分析子系统该系统由高压气源、混合/加注管路和气相色谱仪等组成;
　　(4)测试及数采子系统该系统由电磁传感器、压力传感器及多通道数采组成,能得到弹丸在
加速管中的速度及管内气体压力变化等内弹道参数.

2 37 mm口径冲压加速器的发射试验
　　1996年初我部的37 mm口径冲压加速器安装、调试完毕,随后进行了一系列的发射试验,逐步
解决了发射中的Unstart［8］和推进剂气体准确点火问题,并于1996年12月实现了弹丸的冲压加
速［9］.下面仅以热发射为例介绍一下典型试验结果.　　
2.1 热发射Unstart现象
　　冲压加速器研究中分别进行了冷发射试验和热发射试验.冷发射试验是指在加速管中不加注
可燃推进剂气体,而是加注N2, Ar等不可燃气体进行的发射试验,目的在于检验冲压加速器除推
进剂点火以外全系统的工作是否正常,能否满足试验需要,是冲压加速器进行热发射试验前的必
经步骤;热发射是指在加速管内加注可燃推进剂气体(我们试验中采用CH4, O2, N2的混合物)进行
发射; Unstart是指在弹丸喉道前建立不起超音速流场;而在弹丸前出现一道正激波(或爆轰波)
导致弹丸急剧减速.
　　冷发射和热发射中都可能出现Unstart.热发射中出现这一现象的原因是推进剂气体点火方
式和时机不适当、推进剂气体能量太高或弹丸损坏及弹托结构不合理.图4是热发射Unstart的典
型结果.

2.2 弹丸加速的发射试验
　　在逐步解决了冷、热发射中的一系列技术问题后,最终实现了37 mm口径冲压加速器的弹丸
加速.典型的试验结果如图5所示,所用推进剂气体为3CH4+2O2+6.6N2,音速为358 m/s,装填压力
3.5 MPa,弹丸入口速度约为1 060 m/s (马赫数为3.0),弹丸出口速度约为1 760 m/s.进一步增
加推进剂气体的装填压力和加速管的长度,弹丸出口速度会进一步提高.

3 数值计算工作
3.1 控制方程和离散方法
　　控制方程为轴对称的N-S方程,在曲线坐标系中为

01：

方程中无粘项空间导数项用二阶或三阶NND格式进行离散,粘性项用中心差分进行离散,并用LU隐
式分解、高斯-赛得尔(SGS)［10］迭代进行求解,得到

02：

其中

03：

R为残值,ρ(A), ρ(B)分别为Jacobian阵A,B的谱半径.　　
3.2 计算网格及边界处理
　　计算的物理模型是去掉四个翼的冲压加速器弹丸在充满N2的加速管中飞行(冷发射试验),假
设这是一个轴对称定常问题.用代数方法生成18761的贴体网格,如图6

3.3 计算结果及分析
　　数值模拟是针对冷发射CS014的某一站进行的,该站的状态为:T∞=293.5 K, M∞=3.14, P∞
=2.0 MPa,Re∞=3.0 106.图7是不同空间离散精度得到的流场压力等值线,可见二阶以上格式即可
得到弹体与加速管壁之间及弹体尾迹中复杂波系.图8是计算压力沿管壁分布与试验的对比,从图
中可发现在数值计算中第三个波峰没被捕捉到,其原因可能是:计算中没有考虑弹丸的四个尾翼,
而这些尾翼的存在首先在其前缘产生一道激波,打到管壁上反射,形成试验中的第三个波峰,另一
方面,由于尾翼的存在使得流管截面变小,气体压缩更严重,可能是喉道之后的计算压力比实测压
力要低的原因.

4 结束语
　冲压加速器是一种超高速发射器新概念,具有高出口速度、软发射和总体尺寸较小的特点,在航天工程和常规兵器领域具有极大的应用前景.以美国为首的发达国家纷纷开展了这项研究,弹丸最大速度已达2.7 km/s.
　气动中心超高速所自行研制了国内第一座冲压加速器,并实现弹丸的冲压加速,弹丸已被加速至1760 m/s;在进行试验研究的同时,还开展了冷发射时加速管内弹丸绕流的数值模拟.
　尽管本项研究已经取得一定进展,但在如何实现弹丸的最佳加速和该项技术的工程化应用方面仍有许多技术难题,如推进剂气体最佳组分,弹丸的抗烧蚀以及全系统的机动性等,这些将是我们下一步的研究内容.
谨以此文纪念郭永怀院士90周年诞辰.
作者单位：中国空气动力研究与发展中心,绵阳 621000

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